DE69710899T2

DE69710899T2 - Sinterverfahren

Info

Publication number: DE69710899T2
Application number: DE69710899T
Authority: DE
Inventors: Leif Akesson; Margareta Palsson; Barbro Rohlin
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 1996-07-11
Filing date: 1997-06-23
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2017-06-24
Also published as: ATE214044T1; DE69710899D1; EP0912458B1; WO1998002394A1; EP0912458A1; JP2000515110A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sinterverfahren für Hartmetall zum Zwecke der Beseitigung der Bindephasenschicht von seiner Oberfläche vor der Aufbringung von Beschichtungen auf dieser Oberfläche.
Einsätze aus beschichtetem Hartmetall sind nun seit vielen Jahren im Handel für spanabhebende Bearbeitung von Metallen in der Metallschneidindustrie erhältlich. Solche Einsätze werden gewöhnlich aus einem Metallkarbid, normalerweise WC, allgemein unter Zusatz von Karbiden anderer Metalle, wie Nb, Ti, Ta usw., und einer metallischen Bindephase von Kobalt hergestellt. Durch Abscheidung einer dünnen Schicht eines verschleißbeständigen Materials, wie TiC, TiN, Al&sub2;O&sub3; usw., auf diesen Einsätzen, getrennt oder in Kombination, war es möglich, die Verschleißbeständigkeit bei im wesentlichen beibehaltener Zähigkeit zu steigern.
Während des Sinterns bekommen Hartmetalleinsätze oftmals eine vollständige oder teilweise deckende Bindephasenschicht, allgemein < 1 um dick, auf ihrer Oberfläche. Dies gilt besonders für Einsätze mit einer Bindephasenanreicherung in der Oberfläche unter der Beschichtung, einen sogenannten Kobaltgradienten, doch auch für Einsätze mit gleichmäßiger Verteilung der Bindephase. In dem letzteren Fall bildet sich diese Schicht auf bestimmten Qualitäten, doch auf anderen nicht. Der Grund hierfür ist derzeit nicht verständlich. Die Schicht hat jedoch eine negative Wirkung auf das Verfahren, wenn man CVD- oder PVD-Abscheidung verwendet, was zu Schichten mit schlechteren Eigenschaften und unzureichender Haftung führt. Die Bindephasenschicht muß daher vor der Durchführung der Abscheidung entfernt werden.
Es ist möglich, eine solche Bindephasenschicht mechanisch durch Sandstrahlen zu entfernen. Die Sandstrahlmethode ist jedoch schwierig zu steuern. Die Schwierigkeit besteht in der Unmöglichkeit, die Sandstrahltiefe reproduzierbar mit der erforderlichen Genauigkeit zu steuern, was zu einer verstärkten Streuung der Eigenschaften des Endproduktes - des beschichteten Einsatzes führt. Es führt auch zu Beschädigungen des Kornes des harten Bestandteils auf der Oberfläche. In der schwedischen Patentanmeldung 9202142-7 ist jedoch beschrieben, daß Sandstrahlen mit feinen Teilchen eine gleichmäßige Entfernung der Bindephasenschicht ohne Beschädigung der Körner des harten Bestandteils ergibt.
Chemische oder elektrolytische Methoden konnten als Alternativen für mechanische Methoden angewendet werden. Die US-Patentschrift 4,282,289 beschreibt ein Verfahren zum Ätzen in einer gasförmigen Phase durch Verwendung von HCl in einer Anfangsphase des Beschichtungsverfahrens. In der EP-A-337.696 werden chemische Naßverfahren zum Ätzen in Salpetersäure, Salzsäure, Fluorwasserstoffsäure, Schwefelsäure und ähnlichen oder mit elektro-chemischen Methoden vorgeschlagen. Aus der JP 88-060279 ist es bekannt, eine alkalische Lösung, NaOH, zu verwenden, und aus der JP 88-060280 ist bekannt, eine saure Lösung zu verwenden. Die JP 88-053269 beschreibt ein Ätzen in Salpetersäure vor einer Diamantabscheidung. Es gibt bei diesen Methoden einen Nachteil, nämlich daß sie nicht nur die Kobaltschicht entfernen können. Sie führen auch zu einer tiefen Penetration, besonders in Bereichen nahe der Kante. Das Ätzmedium entfernt nicht nur Kobalt von der Oberfläche, sondern dringt auch in Bereiche zwischen den Körnern des harten Bestandteils ein, und als ein Ergebnis bekommt man eine unerwünschte Porosität zwischen der Schicht und dem Substrat, wobei gleichzeitig die Kobaltschicht teilweise in anderen Bereichen des Einsatzes verbleiben kann. Die US-5,380,409 beschreibt ein Ätzverfahren, gemäß dem elektrolytisches Ätzen in einem Gemisch von Schwefelsäure und Phosphorsäure durchgeführt wird. Diese Methode ergibt eine gleichmäßige und vollständige Entfernung der Bindephasenschicht ohne Tiefeneffekt, d. h. unter Erreichen von 0% Co auf der Oberfläche.
Andererseits ist es in einigen Fällen vom Standpunkt der Beschichtungshaftung auf der Oberfläche nicht erwünscht, einen Co-Nullgehalt zu erreichen, sondern eher einen Co-Oberflächengehalt nahe dem nominalen Gehalt.
Die oben erwähnten Verfahren erfordern zusätzliche Produktionsstufen und sind aus diesem Grund weniger attraktiv für die Herstellung in einem großen Maßstab. Es wäre erwünscht, wenn das Sintern in einer solchen Weise durchgeführt werden könnte, daß keine Bindephasenschicht gebildet wird oder statt dessen während der Kühlung entfernt werden kann.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Sintern von Hartmetall auf solche Weise zu bekommen, daß keine Bindephasenschicht auf der Oberfläche nach dem Sinterverfahren vorhanden ist, sondern ein gut definierter Co-Gehalt.
Fig. 1 zeigt in viertausendfacher Vergrößerung eine Draufsicht auf die Oberfläche von Hartmetalleinsätzen, die teilweise mit einer Bindephasenschicht bedeckt sind. Fig. 2 zeigt in viertausendfacher Vergrößerung eine Draufsicht auf die Oberfläche eines Hartmetalleinsatzes, der gemäß der Erfindung gesintert wurde. In diesen Figuren sind die dunkelgrauen Bereich die Co-Schicht, die hellgrauen gewinkelten Körner sind WC, und die grauen abgerundeten Körner sind die sogenannte Gammaphase, die (Ti, Ta, Nb, W) C ist.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erfolgen das Erhitzen und die Hochtemperaturstufen des Sinterns in herkömmlicher Weise. Das Kühlen von der Sintertemperatur abwärts auf wenigstens 1200ºC wird jedoch in einer Wasserstoff- und Argonatmosphäre von 0,4 bis 0,9 bar, vorzugsweise 0,5 bis 0,8 bar Wasserstoffdruck und Restargon durchgeführt. Der Gesamtdruck soll > 0,5 bis 100 bar, vorzugsweise > 0,5 bis 10 bar, am meisten bevorzugt > 0,5 bis 1 bar sein, wobei der Argondruck immer > 0,1 bar beträgt. Die besten Bedingungen hängen von der Zusammensetzung des Hartmetalls, von den Sinterbedingungen und in bestimmtem Umfang von der Gestaltung der verwendeten Anlage ab. Es liegt innerhalb des Wissens des Fachmannes, durch Experimente den optimalen Wasserstoffdruck, bei dem keine Bindephasenschicht erhalten wird und keine unerwünschte Aufkohlung des Hartmetalls erhalten wird, zu bestimmen. Das Sintern sollte zu einem Co-Gehalt auf der Oberfläche von nominalem Wert +6/-4%, vorzugsweise +4/-2% führen. Der Co-Gehalt kann beispielsweise durch die Verwendung eines SEM (Rasterelektronenmikroskop), ausgestattet mit einem EDS (Energie dispergierendes Spektrometer) bestimmt werden und die Intensitäten von Co von der unbekannten Oberfläche und einer Bezugsprobe, von zum Beispiel einem polierten Abschnitt einer Probe der gleichen nominalen Zusammensetzung, bestimmt werden.
Das Verfahren nach der Erfindung kann auf alle Arten von Hartmetallen angewendet werden, vorzugsweise auf Hartmetall mit einer Zusammensetzung von 4 bis 1 S Gew.-% Co, bis zu 20 Gew.-% der kubischen Karbide TiC, TaC, NbC und Rest WC. Am meisten bevorzugt hat das Hartmetall eine Zusammensetzung von 5 bis 12 Gew.-% Co, weniger als 12 Gew.-% der kubischen Karbide TiC, TaC, NbC und Rest WC. Die mittlere WC-Korngröße soll < 8 um, vorzugweise 0,5 bis 5 um betragen.
Einsätze nach der Erfindung werden nach dem Sintern mit einer dünnen verschleißbeständigen Beschichtung versehen, die wenigstens eine Schicht mit CVD-, MTCVD- oder PVD-Technik einschließt, wie bekannt ist.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf Argon beschrieben, doch liegt auf der Hand, daß die gleichen Ergebnisse auch bei Verwendung anderer Edelgase erhalten werden können.

Beispiel 1

Hartmetalleinsätze vom Typ CNMG 120408 mit 5,5 Gew.-% Co, 8,5 Gew.-% kubischen Karbiden und 86 Gew.-% WC von 2 um WC-Durchschnittskorngröße wurden in herkömmlicher Weise bei 1450ºC gesintert und in Argon auf Raumtemperatur gekühlt. Die Oberfläche war bis zu 50% mit einer Co-Schicht bedeckt, Fig. 1.
Einsätze der gleichen Zusammensetzung und Type wurden auf dem gleichen Weg gesintert, aber von einer Temperatur von 1400ºC auf 1200ºC in 0,5 bar Wasserstoff und Rest Argon und von 1200ºC in einer reinen Argonatmosphäre gekühlt. Die Oberfläche war etwa zu 6% mit Co bedeckt, was dem nominalen Co-Gehalt entspricht, Fig. 2.

Claims

1. Verfahren zum Sintern von Hartmetallkörpern unter Erhitzen der Körper auf die Sintertemperatur in einer geeigneten Atmosphäre und Kühlen, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen wenigstens bis 1200ºC in einer Wasserstoffatmosphäre mit einem Druck von 0,4 bis 0,9 bar und Rest Edelgas, vorzugsweise Argon, mit einem Druck von > 0,1 bar mit einem Gesamtdruck von > 0,5 bis 100 bar, vorzugsweise > 0,5 bis 10 bar, durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff 0,5 bis 0,8 bar ist.

3. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartmetall die Zusammensetzung 4 bis 15 Gew.-% Co, bis zu 20 Gew.-% der kubischen Karbide TiC, TaC, NbC und Rest WC hat.

4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartmetall die Zusammensetzung 5 bis 12 Gew.-% Co, weniger als 12 Gew.-% der kubischen Karbide TiC, TaC, NbC und Rest WC hat.

5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper mit einer dünnen verschleißbeständigen Beschichtung einschließlich wenigstens einer Schicht durch CVD-, MTCVS- oder PVD-Technik versehen sind.